張建奇，王 喆

(1.華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003;2.國網(wǎng)三門峽供電公司，河南 三門峽 472300)

0 引言

直接空冷凝汽器用空氣作為冷卻介質(zhì)來冷凝汽輪機排汽[1]，通常布置于標高40多m的空冷平臺上，其凝汽器真空受環(huán)境風(fēng)溫、風(fēng)速、空氣潔凈程度影響較大[2～3]，尤其在夏季，高溫或因大風(fēng)引起的熱風(fēng)回流和倒灌，使汽輪機背壓急劇升高，乃至掉閘[4]。

針對現(xiàn)實中存在的問題，提出了空冷島采用地下進風(fēng)方法，即將空冷平臺高度降低到接近地面布置，環(huán)境風(fēng)通過地下通道進入到風(fēng)機的入口。風(fēng)道內(nèi)部設(shè)置噴霧裝置，對空氣進行增濕降溫，同時可以有效地提高入口風(fēng)的潔凈度，降低環(huán)境風(fēng)溫、風(fēng)速變化對凝汽器傳熱效果的不利影響。

本文建立了空冷島地下進風(fēng)的物理模型，通過CFD軟件對空冷島在不同工況下的工作性能進行模擬驗證，為空冷島的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 物理模型及計算方法

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

以某600 MW直接空冷機組為例，空冷平臺橫截面為70 m×80 m，其下表面距離地面高度為h。地下風(fēng)室水平截面尺寸為70 m×80 m，其深度為d。3個風(fēng)道的橫截面尺寸分別為70 m×d，80 m×d，70 m×d，長度均為100 m。汽機房40 m×80 m×40 m，鍋爐房為40 m×80 m×80 m，整個計算域為800 m×800 m×400 m。根據(jù)風(fēng)道布置位置不同，有直風(fēng)道和斜風(fēng)道兩套布置方案(相鄰兩風(fēng)道間的夾角為90°，稱為“直風(fēng)道”;夾角為45°，稱為“斜風(fēng)道”)，如圖1。

利用Gambit軟件生成幾何模型并進行網(wǎng)格劃分。考慮到模擬計算精度的要求以及計算機硬件性能的限制，對整個計算區(qū)域網(wǎng)格采用分塊劃分的方法，廠房、換熱單元及其上方局部區(qū)域采用六面體網(wǎng)格進行劃分，其余部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖2。

1.2 主控方程及邊界條件

空冷島周圍的大氣運動被認為是不可壓縮定常流動，流體區(qū)域的控制方程為雷諾平均的N-S方程[5]:

連續(xù)性方程:

動量守恒方程:

圖1 空冷島地下進風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of air-cooled island with underground ventilation

圖2 模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh of the model

本構(gòu)方程:

采用標準 k-ε 湍流模型[6]:

能量方程:

式中:u，v為流體速度;ρ為空氣密度;i，j，k均為1，2，3;μ為流體動力粘性系數(shù);p為壓力;εij為應(yīng)變率張量;τij為應(yīng)力張量。

整個流動計算區(qū)域的進口采用大氣邊界層函數(shù)計算[7]:

式中:z0為氣流達到均勻流時的高度;u0為z0處來流平均風(fēng)速;zi為任意高度;ui為zi處平均風(fēng)速;a為地面粗糙系數(shù)，粗糙度越大，a越大。根據(jù)電廠的地形地貌，取a=0.2及z0=10。該條件利用Fluent自帶的udf(自定義函數(shù))邊界條件編程加載。

每個空冷換熱單元采用風(fēng)扇 (fan)入口和熱交換核心 (heat exchanger)，廠房、擋風(fēng)墻、柱子及地面均采用墻壁邊界，主導(dǎo)風(fēng)向的迎風(fēng)面采用速度入口邊界條件，其余面采用壓力出口邊界條件[8]。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 空冷島通風(fēng)量

空冷凝汽器是通過空氣來冷凝汽輪機排汽的，所以空冷單元通風(fēng)量的大小對凝汽器的冷卻能力影響很大[9]。

2.1.1 風(fēng)道通流面積對通風(fēng)量的影響

由于風(fēng)道的寬度已經(jīng)確定，故風(fēng)道的通流面積隨其深度變化。無環(huán)境風(fēng)條件下，直風(fēng)道地下進風(fēng)空冷島總通風(fēng)量隨風(fēng)道深度的變化，如圖3。

由圖3可以看出，隨著風(fēng)道通流面積的增大，空冷島總通風(fēng)量增大。在初始階段，通風(fēng)量隨通流面積的增大而明顯提高;但當風(fēng)道深度超過40 m以后，通風(fēng)量隨通流面積而增加的趨勢變緩，說明通流面積已不再是影響空冷島通風(fēng)量的主要因素。當?shù)叵嘛L(fēng)道深度為30 m(風(fēng)道通流面積6 600 m2)時，空冷島總通風(fēng)量約為26 430 kg/s，基本接近27 160 kg/s的空冷風(fēng)機設(shè)計通風(fēng)量。同時可以發(fā)現(xiàn)，h=5和h=10兩條曲線基本重合，說明空冷平臺距地面高度對空冷島通風(fēng)量基本沒有影響。

圖3 通風(fēng)量隨風(fēng)道深度的變化Fig.3 Variation of ventilation rate with tunnel depth

2.1.2 環(huán)境風(fēng)速對通風(fēng)量的影響

在主導(dǎo)風(fēng)向下，風(fēng)速對空冷島地上進風(fēng) (45 m標高)和地下進風(fēng) (直、斜風(fēng)道30 m深)兩種布置方式通風(fēng)量的影響如圖4所示。

圖4 通風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速的變化Fig.4 Variation of ventilation rate with wind speed

由圖4可知，環(huán)境風(fēng)速為零時，空冷島地上進風(fēng)的通風(fēng)量為27 778 kg/s。由于地下進風(fēng)時空氣在風(fēng)道流動會受到阻力的作用，故在環(huán)境風(fēng)速小于2 m/s時，地下進風(fēng)的通風(fēng)量小于地上進風(fēng);隨著風(fēng)速的增大，兩種進風(fēng)方式通風(fēng)量都會減小，不過，地上進風(fēng)的通風(fēng)量受環(huán)境風(fēng)的影響更大一些，其通風(fēng)量降低更多;當環(huán)境風(fēng)速超過4 m/s時，地上進風(fēng)的空冷島通風(fēng)量將小于地下進風(fēng)，且風(fēng)速越大，兩者的通風(fēng)量相差越大;當風(fēng)速達到8 m/s時，地下進風(fēng)斜風(fēng)道的通風(fēng)量較地上進風(fēng)高4 284 kg/s。

對于地下進風(fēng)方式，在無環(huán)境風(fēng)條件下，由于斜風(fēng)道3個進風(fēng)口距離相對較近，進風(fēng)時相互之間有所影響，故其通風(fēng)量略小于直風(fēng)道 (斜風(fēng)道G=25 652 kg/s，直風(fēng)道G=26 473 kg/s)。當有環(huán)境風(fēng)時，空冷島總通風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速的增大而表現(xiàn)出先減小后增大的變化，當v=8 m/s時，通風(fēng)量最小(斜風(fēng)道23 876 kg/s，直風(fēng)道21 656 kg/s);當風(fēng)速超過2 m/s后，斜風(fēng)道通風(fēng)量大于直風(fēng)道，且當風(fēng)速v=10 m/s時，兩者相差最大，約2 811 kg/s。整體來看，斜風(fēng)道布置方式下的空冷島通風(fēng)量隨風(fēng)速波動較小，平均通風(fēng)量約為25 000 kg/s。

2.1.3 風(fēng)道通風(fēng)量及壓差統(tǒng)計

地下風(fēng)道布置位置不同，其在主導(dǎo)風(fēng)向下的空氣流動特性不同。30 m深的直風(fēng)道和斜風(fēng)道在不同風(fēng)速下的空氣流動特性如圖5、圖6所示。

圖5 風(fēng)道進出口壓差變化Fig.5 Pressure drop change of tunnel inlet and outlet

圖6 風(fēng)道空氣流量變化Fig.6 Ventilation rate change of tunnel

由風(fēng)道壓差及流量特性曲線可以看出，無論是直風(fēng)道還是斜風(fēng)道，在主導(dǎo)風(fēng)向下，隨著風(fēng)速的提高，位于迎風(fēng)側(cè)的風(fēng)道2和風(fēng)道3的進出口壓差增大，與此對應(yīng)，通過風(fēng)道2和風(fēng)道3進入風(fēng)室的空氣量會逐漸增大;而且，由于斜風(fēng)道3的方向與主導(dǎo)風(fēng)向相同，隨著風(fēng)速的增大，其進出口壓差迅速提高，進風(fēng)量也會明顯增大。例如，風(fēng)速由2 m/s增大到6 m/s，斜風(fēng)道3的進出口壓差由11.81 Pa增加到28.81 Pa，進風(fēng)量增加了1 130 kg/s。

位于背風(fēng)側(cè)的風(fēng)道1的進出口壓差，隨著風(fēng)速的提高而逐漸減小，使得經(jīng)過風(fēng)道1進入風(fēng)室的空氣量隨著風(fēng)速的增大而減小。例如，風(fēng)速由2 m/s增大到6 m/s，直風(fēng)道1的進出口壓差減小約3 Pa，其通風(fēng)量降低了4 069 kg/s;且直風(fēng)道1在風(fēng)速達到12 m/s以后，進出口壓差變?yōu)樨撝?，說明風(fēng)道出口處的全壓大于進口的全壓，將導(dǎo)致風(fēng)室內(nèi)的空氣經(jīng)由風(fēng)道1流出一部分。

2.1.4 不同進風(fēng)方式的空冷單元通風(fēng)量

在環(huán)境風(fēng)的影響下，空冷平臺上不同位置的空冷單元通風(fēng)量不同。地上45 m標高空冷平臺以及30 m深風(fēng)道地下進風(fēng)在主導(dǎo)風(fēng)向、不同風(fēng)速下的單元通風(fēng)量如圖7所示。

圖7 空冷單元通風(fēng)量Fig.7 Ventilation rate of air-cooled condenser

由圖7可知，在無風(fēng)的情況下，位于空冷島邊緣的四排風(fēng)機通風(fēng)量略低于中間部分，且地上進風(fēng)的空冷單元平均通風(fēng)量為496 kg/s，略高于地下進風(fēng)的平均通風(fēng)量458 kg/s。隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，地上進風(fēng)的空冷島迎風(fēng)側(cè)兩排風(fēng)機通風(fēng)量迅速減小，當風(fēng)速為8 m/s時，兩排邊緣風(fēng)機的平均通風(fēng)量僅為131 kg/s，最小的通風(fēng)量只有44 kg/s;而地下進風(fēng)的迎風(fēng)側(cè)兩排邊緣風(fēng)機流量雖然有所減少;但其平均流量達到316 kg/s，大大高于地上進風(fēng)的通風(fēng)量。

整體來看，隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，在空氣流動慣性的作用下，位于背風(fēng)側(cè)的部分空冷單元入口處空氣壓力升高，通風(fēng)量變大，而迎風(fēng)側(cè)風(fēng)機空氣流量有所減少;但地下進風(fēng)的空冷單元通風(fēng)量整體均勻性要優(yōu)于地上進風(fēng)方式。

2.2 空冷島周圍溫度場

環(huán)境風(fēng)會影響凝汽器出口熱空氣擴散，從而影響空冷島周圍空氣溫度分布。主導(dǎo)風(fēng)向、不同風(fēng)速下的空氣溫度場如圖8所示。圖中顯示x=40截面上的溫度分布，以及T=325 K，T=335 K兩個等溫面。從等溫面的形狀和位置，可以大致看出熱空氣的流動方向和擴散趨勢。

根據(jù)空氣動力學(xué)原理，熱空氣在流動過程中與周圍空氣相互摻混，熱量向環(huán)境空氣擴散[10]。由圖8可以看出，在無環(huán)境風(fēng)的條件下，從空冷單元出來的熱空氣呈羽流狀向上擴散，如圖8(a);當有環(huán)境風(fēng)時，熱空氣的向上升騰過程受到影響，其流動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖8(b);隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，熱空氣向環(huán)境風(fēng)的方向偏斜明顯，同時其紊流擴散運動增強，熱量更快地被環(huán)境空氣帶走，空冷島上方的高溫區(qū)域減小，如圖8(c)、(d)。由于進風(fēng)口距離空冷平臺較遠，空冷單元出口熱空氣不會影響到地下風(fēng)道進風(fēng)，運行中沒有出現(xiàn)熱風(fēng)回流的現(xiàn)象。

2.3 空冷凝汽器換熱效率

根據(jù)額定工況下的汽輪機排汽量及排汽壓力，可求得空冷單元的標準散熱量;由空冷單元通風(fēng)量及空氣溫升，可算得空冷單元的實際換熱量?？绽鋯卧獙嶋H換熱量除以標準換熱量，所得到的無量綱數(shù)定義為換熱效率，以此表示空冷凝汽器的換熱效果[11～12]。環(huán)境溫度為30℃時，不同環(huán)境風(fēng)速下的凝汽器換熱效率如圖9所示。

由圖9可以看出，在無風(fēng)的條件下，地上進風(fēng)的凝汽器換熱效率最高，約為0.89，地下進風(fēng)方式的換熱效率略低一些，為0.82左右。環(huán)境平均風(fēng)速3 m/s條件下，兩種進風(fēng)方式下的凝汽器平均換熱效率相差不大，約為0.8。當風(fēng)速超過2 m/s后，地上進風(fēng)的凝汽器換熱效率隨風(fēng)速增大而迅速下降，當風(fēng)速為8 m/s時的效率最低，只有0.58;此時，斜風(fēng)道地下進風(fēng)的凝汽器換熱效率為0.71，明顯高于地上進風(fēng)。當風(fēng)速超過4 m/s以后，采取地下進風(fēng)的凝汽器換熱效率高于地上進風(fēng)方式。

圖8 空冷島周圍空氣溫度場Fig.8 Temperature field of air-cooled island

圖9 凝汽器換熱效率Fig.9 Heat transfer efficiency of air-cooled condenser

2.4 空冷凝汽器壓力

環(huán)境溫度為30℃，凝汽器熱負荷為773 MW時，空冷島在不同進風(fēng)方式下的凝汽器壓力如圖10所示。

圖10 凝汽器壓力Fig.10 Pressure of air-cooled condenser

由圖10可知，當環(huán)境風(fēng)速不超過2 m/s時，地上進風(fēng)的凝汽器壓力維持在25 kPa左右，低于地下進風(fēng)的壓力 (約27 kPa)。當風(fēng)速超過2 m/s后，隨著風(fēng)速的增加，凝汽器壓力先增大，后減小，當風(fēng)速為8 m/s時，凝汽器壓力均達到最大值，此風(fēng)速即為最不利風(fēng)速。在風(fēng)速超過4 m/s后的任一風(fēng)速下，地上進風(fēng)凝汽器壓力最高，斜風(fēng)道地下進風(fēng)的凝汽器壓力最低;當風(fēng)速大于6 m/s時，地上進風(fēng)的凝汽器壓力會超過35 kPa的警戒線，而直風(fēng)道地下進風(fēng)的凝汽器壓力可維持在35 kPa以下，斜風(fēng)道地下進風(fēng)的凝汽器壓最高為30.23 kPa，較地上進風(fēng)方式低9.69 kPa。

3 結(jié)論

(1)空冷島地下進風(fēng)，總通風(fēng)量隨地下風(fēng)道通流面積的增大而增大，無風(fēng)條件下，30 m深直風(fēng)道通風(fēng)量為26 430 kg/s;隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，空冷島通風(fēng)量先減小、后增大，當風(fēng)速為8 m/s時，空冷島通風(fēng)量最小。

(2)在環(huán)境風(fēng)影響下，迎風(fēng)側(cè)空冷單元通風(fēng)量有所減小，背風(fēng)側(cè)單元通風(fēng)量有所增加，地下進風(fēng)的迎風(fēng)側(cè)風(fēng)機平均通風(fēng)量大于地上進風(fēng);隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，空冷島外部熱空氣的高溫區(qū)域范圍逐漸減小。

(3)在環(huán)境溫度為30℃，風(fēng)速大于4 m/s條件下，地下進風(fēng)的凝汽器換熱效率高于地上進風(fēng);當風(fēng)速超過6 m/s后，地下進風(fēng)的凝汽器壓力較地上進風(fēng)可降低6～10 kPa。

(4)本文只對空冷島地下進風(fēng)結(jié)構(gòu)在主導(dǎo)風(fēng)向下的空氣流動與換熱情況進行了計算分析，對于不同風(fēng)向下的空冷島工作性能，有待進一步模擬研究。

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